丹麥金童拯救盧瑟福的原子模型，卻發現原子中奇怪的事情正在發生

世間萬物都是由原子構成的，很多小夥伴看了這段話會想：這連小學生都知道了，還用小編囉嗦。但小編要說的是：

這個看似簡單的一句話，曾引起了大量的科學及哲學論爭，貫穿著19世紀的始終，到了1909年的時候，原子作為一種客觀存在才確立為既定事實，不再有人無端質疑了。

原子說的批評者們也在大量的證據面前閉了嘴，其中最關鍵的兩個證據，一是愛因斯坦對布朗運動的解釋以及對這一解釋的實證材料，另一個是盧瑟福發現的元素的放射性轉換，一個觀點爭論了一個世紀。所以我們要感恩為科學奉獻的先輩們。既然原子的存在已經成了事實，這又給科學界引來了另外一個大問題，原子的結構是什麼樣的？這就要說下二十世紀傑出的師徒三人組如何一步步取得真經的。

師祖—J。J。湯姆生原子模型

J。J。湯姆生出生於1856年。1903年，湯姆生提出看法，認為原子是一團沒有質量的正電荷，在它的裡面，像布丁蛋糕裡的梅乾一樣嵌著他在6年之前發現的帶有負電荷的電子，正電荷會把電子之間互相排斥的力量中和，否則電子之間的排斥力量就會使原子四分五裂。這就是最早的J。J。湯姆生所提出的所謂的“梅子布丁”模型了，這個也是最不靠譜的模型，簡單提下。

盧瑟福原子模型—初探原子

盧瑟福生於1871年8月30日，1895年他來到卡文迪什，開始拜於湯姆生門下學習，所以湯姆生是盧瑟福的授業恩師。

1910年12月，盧瑟福透過α粒子轟擊金箔實驗設法“想出了一個遠比J。J。高明的原子模型。在盧瑟福的原子中，有一個微小的帶正電荷的核心，稱做原子核（nucleus），它事實上承載著原子的全部質量。它比原子小100000倍，所佔空間極其微小，“像大教堂中的一隻蒼蠅”。盧瑟福知道，原子內的電子不可能使阿爾法粒子發生那麼大的偏轉，因此沒必要去確定它們在原子核周圍的準確構架。所以盧瑟福只是給出了一個不完善的類似於太陽系的原子模型，但是他對電子在原子核外怎樣執行，原子的軌道怎樣排列這些重大問題選擇了迴避。

丹麥金童—又是一位富二代

尼爾斯·亨利克·大衛·玻爾，1885年10月7日生於哥本哈根，玻爾跟托馬斯·楊一樣在小編心裡都是富二代，玻爾的母親家世顯赫，父親是一位享有盛譽的生理學教授，玻爾從小接觸的都是丹麥頂尖的科學家和學者、作家以及藝術家，真實讓人羨慕嫉妒啊。

玻爾於1921年3月決定改換門庭（在英國劍橋時曾跟著J。J。求學），來到曼徹斯特找盧瑟福學習“關於放射性元素的知識”，這裡小編說下，其實玻爾是想快點幹出點看得見摸得著東西來，向未婚妻證明下自己的成果。事實證明玻爾是英明的，接下來他將為我們徹底開啟原子世界的大門。

玻爾原子模型三部曲

第一條線索就是對穩定性的預測

玻爾首先肯定了盧瑟福原子是穩定的，然後他有了一個想法，後來證明在他的持續探索過程中起到了關鍵作用：穩定態概念。他要首先重建盧瑟福的原子模型，讓電子在圍繞著原子核運轉時不釋放能量。以後他再對自己所做的工作進行論證。經典物理學對原子內電子的執行軌跡沒有限定，但是玻爾卻做了限定。他把電子限制在某些“特別”軌道上，使它們不能連續釋放出輻射，也不能盤旋著跌入原子核。這是個只有天才才會閃現的想法。玻爾相信，某些物理法則在原子的世界裡是無效的，於是他把電子的軌跡給量子化了。玻爾認為電子可以在任何給定距離上圍繞原子核旋轉的觀念。他提出，電子只能佔據幾個選定的軌道，也就是“穩定態”，而不是經典物理學所允許的所有可能的軌道，這個提法非常具有顛覆性。

第二條線索，對穩定態的物理學解釋，也就是為什麼電子只能佔據幾個特定的軌道

一個以直線運動的物體是有動量的。這種動量只不過是物體的質量乘以它的速度。而在圓周中運動的物體則有一種特性叫做“角動量（angularmomentum）”。在環形軌道中運動的電子，它的角動量，以L表示，正好是電子的質量乘以它的速度再乘以其軌道的半徑，或者簡單地表示為L=mur。經典物理學中對電子的角動量或任何其他進行環形運動的物體的角動量都沒有做任何限定。

一圈電子的角動量只能以h/2π的倍數改變，其中h是普朗克常數，π是數學中眾所周知的數字常數3。14…。由旋轉的電子形成的環，它的角動量只能是h/2π，或2（h/2π），或3（h/2π），或4（h/2π）…直到n（h/2π），其中n是個整數。對於玻爾來說，這就是他要找的那條能圓滿解釋他的穩定態之說的線索。只有當電子的角動量是整數n乘以h再除以2π時，這種軌道才被允許。讓n=1、2、3，等等，就造成原子的穩定態，這時電子不會釋放出輻射，因此也就可以圍繞原子核進行無窮無盡的旋轉。所有其他軌道，也就是那些非穩定態軌道，則被禁止。在原子內部，角動量是量子化的。它的值只能是L=nh/2π，而不可以是別的。

就像一個站在梯子上的人只能站在梯級上，而梯級之間沒有任何其他地方可落腳那樣，由於電子的軌道是量子化的，在原子內部的電子所能擁有的能量也是這種情形。對於氫元素，玻爾可以運用經典物理學計算出它那唯一一個電子在每個軌道上所擁有的能量。這一套允許存在的軌道，以及與它們相關聯的電子能量，就是原子的量子態，其能量層級為E。這架原子能梯子的最低一個梯級是n=1，這時電子處於第一軌道，也就是最低能量的量子態。玻爾的模型預示，對於氫原子來說，最低能量層級E，稱為“基態”，應該是-13。6eV，其中電子伏特（eV）是為了對原子層面上的能量進行衡量而採用的一個單位，其中的負號表示電子受到原子核的束縛。如果電子佔據著除了n=1以外的任何其他軌道，那麼這個原子就被稱為處於“激發態”。後來被稱為“主量子數“的“n”永遠是個整數，用來標定一個電子所能佔據的一系列穩定態，以及與之相應的該原子的能量層級E

玻爾對氫原子能量層級的各個數值進行了計算，發現每個層級上的能量都等於基態能量除以n，即（E/n）eV。這樣，n=2，也就是第一激發態的能量值，就是-13。6/4=-3。40eV。第一電子軌道，n=1的半徑決定了氫原子在基態中的大小。根據這個模型，玻爾計算出這是5。3奈米（nm），其中1奈米為1米的十億分之一，這與當時的最佳實驗估測資料非常接近。他發現，其他被允許的軌道的半徑是以n為因數而增長的：當n=1時，半徑為r；當n=2時，則半徑為4r；當n=3時，則半徑為9r，以此類推。玻爾透過把圍繞軌道旋轉的電子的角動量量子化後，使原子穩定下來，並解釋了為什麼在所有可能的軌道中，電子只能佔據有數的幾個軌道，幾個穩定態軌道。

最後一條線索，完成原子模型

人們早就知道，明火的顏色與蒸發的金屬有關。明黃色的是鈉，深紅色的是鋰，而紫色的則是鉀。在9世紀人們發現，每個元素都有自己獨一無二的一組光譜線，在光譜中有固定的位置。每一種特定元素的原子所產生的光譜線的數量、間隔和波長都是獨一無二的，像光的指紋一樣可以用來指認這一元素。

電子在不同的允許軌道之間躍遷，從而導致原子釋放出這些光譜線。如果一個處於基態，也就是n=1時的氫原子吸收了足夠的能量，那麼它的電子就“躍遷”到一個較高能量的軌道，比如n=2。這時原子就處於一個不穩定的激發態，而當電子從n=2向下躍遷到n=1的時候，就迅速地回到穩定的基態。只有在釋放一個量份的能量，而且這個量份相當於這兩個層級的能量之間的差，也就是10。2eV的時候，它才能做到這一點。這樣所得到的光譜線的波長可以用普朗克-愛因斯坦公式E=hv計算得出，其中，v是所釋放出的電磁輻射的頻率。

奇怪的事情正在發生

玻爾發現，有一種非常奇怪的現象與電子的量子躍遷相關聯：在躍遷過程中無法說出電子究竟在哪裡。軌道之間能量層級之間的過渡只能是即時發生的。否則的話，當電子從一個軌道遷移到另一個軌道的時候，它應該能連續輻射出能量。

在玻爾的原子中，電子不可以佔據軌道與軌道之間的空間。它就像變魔術一樣，在一個軌道上消失的同時就在另一個軌道上出現了。雖然玻爾暫時還無法解釋這個問題，但在後來的發展中人們發現了微觀世界更讓人詫異的現象，微觀世界的不確定性。

總結一下：到這裡，這三位偉大的師徒為我們揭開了原子世界的神秘面紗，但對微觀世界的探索才剛剛開始。喜歡這篇文章的，關注下量子科學論，我們一起看科學。